Tandem Catalysis for pH‐Universal Hydrogen Oxidation in Fuel Cells

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作者
Wenquan Wang,Xiaohui Deng,Dechang Li,Zhengbin Tian,Qian Zhang,Jo-Chi Tseng,Wenqi Liu,Yingchao Shang,Yu‐Cheng Shao,Hirofumi Ishii,Markus Ostermann,Christian Pichler,Kun Chen,Heqing Jiang,Guanghui Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.3240574
摘要

ABSTRACT Minimizing platinum‐group metal (PGM) usage in anion‐exchange membrane fuel cells (AEMFCs) and proton‐exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is essential for cost reduction. However, achieving power densities exceeding 1 W cm −2 requires high PGM loadings at the anode, particularly in AEMFCs (>0.1 mg cm −2 ), to sustain hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics. Nickel‐based catalysts offer a low‐cost alternative but are typically limited by poor activity and oxidative instability. Here, we address these limitations by developing a core–shell nanoreactor comprising Ni nanoparticles (NPs) encapsulated by N‐doped graphitic carbon (NC) that is embedded with atomic Ru and Ni species. With an ultralow Ru loading of 1 µg cm −2 , anodes using this catalyst deliver peak power densities of 2.36 and 3.26 W cm −2 in AEMFC and PEMFC, respectively, with negligible structure change after 200 h of continuous operation at 1 A cm −2 in both devices. Mechanistic studies in alkaline media reveal a tandem catalytic pathway in which NPs shielded from the electrolyte dissociate H 2 to H*, and adjacent atomic metal species enable H* spillover across the NC shell to react with surface‐anchored OH*. This work provides a general strategy for designing tandem electrocatalysts for multi‐step catalytic processes.
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